Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Угли ископаемые

Угли ископаемые (далее У) - твердые горючие полезные ископаемые осадочного происхождения. В состав У входят: органическое вещество - продукт преобразования высших и низших растений с участием микроорганизмов планктона, минеральные примеси (условно не более 50%) и влага.

  У залегают в земной коре в виде пластов, пластообразных и линзовидных залежей, имеют землистую, массивную, слоистую или зернистую текстуру; цвет от коричневого до черного.

  . Общие сведения

  У - один из основных видов энергетического сырья; доля их участия в мировом топливно-энергетическом балансе 30-35%. С 1950 по 1974 мировая добыча У увеличилась в 1,7 раза, превысив 3 млрд, т.

  У составляют основную часть (87,5%) прогнозных ресурсов ископаемого топлива Земли, оцениваемых величиной 12,8 триллиона т топлива условного (тут). СССР обладает крупнейшими ресурсами У; разведанные и прогнозные геологические запасы У, отвечающие современным требованиям по качеству и мощности разрабатываемых пластов, составляют 5,7 триллиона т (1968), или 4,6 триллиона тут.

  Основные направления промышленного использования У: производство электроэнергии, металлургического кокса, сжигание в энергетических целях, получение при переработке разнообразных (до 300 наименований) продуктов. Возрастает потребление У для получения высокоуглеродистых углеграфитовых конструкционных материалов, горного воска, пластических масс, синтетического жидкого и газообразного высококалорийного топлива, ароматических продуктов путем гидрогенизации, высокоазотистых гуминовых кислот для удобрений. Из У извлекаются галий (см. Рассеянных элементов руды). Перспективно извлечение серы из У, использование высокоглиноземистых зол и отходов обогащения для производства в качестве керамического и огнеупорного сырья, строительных материалов, средства очистки промышленных сточных вод. Возможное использование У в промышленности определяется их составом и свойствами, характеризующимися большим разнообразием - следствием различий в исходном материале и условиях его преобразования.

  . Происхождение, состав и свойства

  По составу основного компонента - органического вещества - У подразделяются на 3 генетические группы: гумолиты (гумусовые угли), сапропелиты и сапрогумолиты. Преобладают гумолиты, исходным материалом которых явились остатки высших наземных растений. Отложение их происходило преимущественно в болотах, занимавших низменные побережья морей, заливов, лагун, пресноводных бассейнов (озер и рек) - автохтонное накопление; более ограниченным было отложение при сносе с прилегающих участков суши в застойные водные бассейны растительного материала и продуктов его преобразования - аллохтонное накопление. Накапливавшийся растительный материал в результате биохимического разложения перерабатывался в торф; при этом значительное влияние оказывали обводненность и состав водной среды. Анаэробные (в водной среде) условия приводили к органического материала - основы образования блестящих - витринитовых, или углей; аэробные условия и окислительная среда способствовали фюзенизации тканей - образованию волокнистых и сажистых фюзинитовых углей. Элювиация - вымывание проточными водами продуктов окисления лигнино-целлюлозных тканей - сопровождалась обогащением органической массы остатками наиболее устойчивых частей растений (оболочками спор, кутикулой, смоляными тельцами, пробковой тканью коры и т.п.), характерных для матовых лейптинитовых углей. Угли, сложенные почти полностью стойкими форменными элементами (растительными остатками, сохранившими свое строение и очертания), выделяются в особую группу - липтобиолиты (см. Каустобиолиты).

  Сапропелиты (сапропелевые угли) - продукт преобразования низших растений и микроорганизмов планктона, накапливавшихся в органогенном иле озер и морских лагун. На равных стадиях преобразования органического вещества сапропелиты отличаются от гумолитов более высоким выходом летучих веществ (60-80%) и содержанием (8- 12%).

  Сапрогумолиты - переходная разность У, продукт преобразования высших, а также низших растений. Сапропелиты и сапрогумолиты обычно залегают в виде прослоев и линз среди гумусовых углей. Высокозольные разности сапропелитов называют горючими сланцами; они нередко образуют самостоятельные бассейны (например, Прибалтийский сланцевый бассейн) и месторождения.

  Минеральные примеси находятся либо в тонкодисперсном состоянии в органической массе, либо в виде тончайших прослоек и линз, а также и конкреций. Источником минеральных примесей в У могут быть: неорганические составные части растений-углеобразователей; терригенный материал, приносимый в области торфообразования водой и ветром, а также минеральные новообразования, выпадающие из растворов вод, циркулирующих в торфяниках. Состав минеральных примесей - кварц, глинистые минералы (главным образом каолиниты), полевые шпаты, пирит, марказит, карбонаты и др. соединения, содержащие , , , , , К, , , редкие и рассеянные элементы (, , , и др.). Содержание минеральных примесей изменяется в широких пределах; большая часть из них при сжигании У превращается в золу.

  Различия в исходном материале, степени обводненности торфяников, составе среды и фациальных обстановках осадко- и торфонакопления, обусловливающие направленность и интенсивность протекания окислительных и восстановительных микробиологических процессов, создали в торфяной стадии основу для образования различных генетических типов У (см. Углепетрография). Торфообразование и торфонакопление завершались перекрытием торфяника осадками, образующими породы кровли. Происходившие при относительно невысоких температурах и давлении диагенетические (уплотнение, дегидратация осадков, газовыделение) и биохимические процессы восстановительного характера приводили к превращению торфа в бурый уголь. У, включающие слабо разложившиеся древесные остатки, сцементированные землистым углем, называемые лигнитами.

  Бурые угли - одна из разновидностей У - имеют широкое распространение. Доля запасов бурых углей и лигнитов в мировых запасах У- 42%. Неглубокое залегание и большая мощность пластов позволяют широко применять открытый способ разработки, экономические и технические преимущества которого во многом компенсируют относительно низкое качество сырья.

  В результате длительного воздействия повышенных температур и давления бурые угли преобразуются в каменные угли, а последние - в антрациты. Необратимый процесс постепенного изменения состава (прежде всего в направлении обуглероживания), физических и технологических свойств органического вещества в преобразованиях от торфа до антрацита называются углефикацией. Углефикация на стадиях превращения бурых углей в каменные и последних в антрациты, обусловленная происходящими в земной коре процессами, носит название метаморфизма углей. Выделяют 3 основных вида метаморфизма углей: региональный, вызванный воздействием внутренней теплоты Земли и давления перекрывающей толщи пород при погружении У в глубь земной коры; термальный - под влиянием тепла, выделяемого магматическими телами, перекрывшими или внедрившимися в угленосную толщу, либо в подстилающие ее отложения; контактовый - под воздействием тепла изверженных пород, внедрившихся в пласты или пересекших их непосредственно; проблематично признается возможным метаморфизм углей за счет повышения температур в областях проявления тектонических сжимающих и скалывающих) усилий - динамометаморфизма.

  Структурно-молекулярная перестройка органического вещества при метаморфизме углей сопровождается последовательным повышением в них относительного содержания снижением содержания выхода летучих веществ; в определенных закономерностях с экстремальными значениями на средних стадиях углефикации изменяются содержание теплота сгорания, твердость, плотность, хрупкость, оптические, электрические и др. физические свойства У (рис. 1). Для определения этих стадий используются: выход летучих веществ Г, содержание микротвердость и др. особенности состава и физических свойств углей. Наиболее эффективен метод определения стадии углефикации по отражательной способности витринита ®.

  Каменные угли на средних стадиях метаморфизма приобретают спекающие свойства - способность и липоидных компонентов органического вещества переходить при нагревании в определенных условиях в пластического состояние и образовывать пористый монолит - кокс. Относительное количество запасов У с высокой спекающейся способностью составляет 10-15% от общих запасов каменных углей, что связано с более высокой интенсивностью преобразования органических вещества на средних стадиях метаморфизма. Спекающиеся угли возникают при температурах примерно от 130 до 160-180 °С при общем диапазоне температур, обусловливающих протекание метаморфизма У, от 70-90 °С для длиннопламенных углей до 300-350 °С для антрацитов. Наиболее высококачественные спекающиеся угли формировались в бассейнах, испытавших региональный метаморфизм при глубоком погружении угленосной толщи. При термальном и контактовом метаморфизме в связи с резким изменением температур и невысоким давлением преобразование органического вещества протекает неравномерно и качество углей отличается невыдержанностью технологических свойств. Породы угленосных формаций наряду с метаморфизмом углей испытывают катагенетические преобразования (см. Катагенез).

  В зонах аэрации и активного действия подземных вод вблизи поверхности Земли У подвергаются окислению. По своему воздействию на состав и физические свойства У окисление имеет обратную направленность по сравнению с метаморфизмом: У. п. утрачивают прочностные свойства (до превращения их в сажистое вещество) и спекаемость; в них возрастает относительное содержание снижается количество увеличиваются влажность и зольность, резко снижается теплота сгорания. Глубина окисления У в зависимости от современного и древнего рельефа, положения зеркала грунтовых вод, характера климатических условий, вещественного состава и метаморфизма углей колеблется от 0 до 100 м по вертикали.

  Различия в вещественном составе и степени метаморфизма обусловили большую дифференциацию технологических свойств У Для установления рационального направления промышленного использования У подразделяются на марки и технологические группы; в основу такого подразделения положены параметры, характеризующие поведение У в процессе термического воздействия на них (см. табл.). Границей между бурыми и каменными углями принята высшая теплота сгорания рабочей массы беззольного угля, равная 5700 ккал/кг (23,86 Мдж).

  Ведущий показатель при использовании У в энергетических целях - низшая теплота сгорания - в пересчете на рабочее топливо (Qпн) колеблется в пределах (ккал/кг): 2000-5000 (8,372-20,930 Мдж) для бурых, 4100-6900 (17,162 - 28,893 Мдж) для каменных углей и 5700-6400 (23,86-26,79 Мдж) для антрацитов. Пониженная величина этого показателя у бурых углей объясняется низкой степенью углефикации органического вещества, слабой уплотненностью материала и, соответственно, высокой их естественной влажностью, изменяющейся в пределах 15-58%. По содержанию рабочей влаги ( p) бурые угли подразделяются на технологические группы: Б1 с p > 40%, Б2 с p 30-40% и Б3 с p < 30%.

  В основу промышленной маркировки каменных углей положены показатели, характеризующие результаты их высокотемпературной сухой перегонки (коксования): выход летучих веществ, образующихся при разложении органической массы (частично неорганического материала - сульфидов, карбонатов, гидратированных минералов), и характеристика беззольного горючего остатка - кокса по спекаемости. Весовой выход летучих веществ (Г) из У. и, последовательно снижается с повышением степени углефикации от 45 до 8% у каменных углей и до 8-2% у антрацитов.

  В СССР спекаемость У определяется в лабораторном аппарате пластометрическим методом, предложенным в 1932 советскими учеными Л. М. Сапожниковым и Л. П. Базилевич, по толщине образующегося при нагревании пластического слоя (у) с учетом усадки (х), выраженных в мм. Наибольшей спекающей способностью характеризуются каменные угли средних стадий углефикации с толщиной пластического слоя 10-35 мм (марок К и Ж). С понижением и увеличением степени метаморфизма спекаемость У снижается. Угли марок Д и Т характеризуются слабоспекшимся порошкообразным нелетучим остатком. В таблице приведены величины основных показателей качества углей на различных стадиях углефикации применительно к маркам, употребляемым в СССР.
Основные показатели качества углей марочного состава
Марки угля<
Буквен-ное обоз-начение марок

Средние величины показателей для углей, состоящих преимущественно из витринита

Отражательная способность витринита в

масляной иммерсии R °, %



Выход лету-

чих веществ г, %

содержание Сг, %

теплота сгорания Qгб, ккал/кг



Бурые

ДлнннопламенныеГазовые

Жирные

Коксовые

Отощенно-спекаю-   

  щиеся

Тощие

Антрациты

Б

Д

Г

Ж

К

ОС

Т

А

41 и более

39 и более

36

30

20

15

12

менее 8

76 и менее

76

83

86

88

89

90

91 и более

6900-7500 7500-8000 7900-8600 8300-8700 8400-8700

8450-8780 7300-8750 8100-8750

0,30-0,49 0,50-0,64 0,65-0,84 0,85-1,14 1,15-1,74

1,75-2,04 2,05-2,49 2,50-6,00

  Кроме указанных в таблице, в некоторых бассейнах выделяются промежуточные марки: газовые жирные (ГЖ), коксовые жирные (КЖ), коксовые вторые (2), слабоспекающиеся (СС). Угли марок Г, ГЖ, Ж, КЖ, К и ОС подразделяются на технологические группы по спекающей способности; для указания технологической группы к буквенному обозначению марки прибавляется цифра, указывающая низшее значение толщины пластического слоя (у) в данных углях, например Г6, Г17, КЖ14 и т.п. Для углей конкретных бассейнов величины классификационных показателей (Г и у) регламентируются ГОСТом. Для получения металлургического кокса используется смесь различных марок углей - шихта, основным компонентом которой являются угли с высокими спекающими свойствами.

  Подразделение У на бурые, каменные и антрациты принято в большинстве стран Европы (в некоторых - с выделением дополнительно лигнитов). В основу принятой в 1956 Европейской экономической комиссией ООН Международной системы классификации каменных углей также положены выход летучих веществ (Г) для углей с Г > 33% - высшая теплота сгорания влажной беззольной массы (Qвбезз), спекающая способность и коксуемость. Тип угля обозначается кодовым трехзначным номером, первая цифра которого указывает класс угля (по Г или Qвбезз), вторая - группу (по спекающей способности, определенной методом Рога или индексом вспучивания в тигле), третья - подгруппу (по коксуемости, определенной методами Одибер-Арну или Грей-Кинга). В США и некоторых др. странах У подразделяются на лигниты, суббитуминозные, битуминозные угли и антрациты; классификационными параметрами приняты: для лигнитов, суббитуминозных и битуминозных (с высоким Г >31%) углей - теплота сгорания беззольной массы, для битуминозных с Г < 31% и антрацитов - выход летучих веществ и содержание связанного
  Маркировка углей, отражая комплекс определенных технологических свойств разновидностей У, используется как основной критерий в практике промышленного использования углей. Для конкретных направлений потребления устанавливаются дополнительные технические требования. Резкое снижение теплового эффекта сгорания У и экономических показателей их использования за счет балласта (золы и влаги) определяет необходимость брикетирования углей с высокой естественной влажностью и предварительного обогащения высокозольных углей (см. Обогащение полезных ископаемых). Предельная зольность У, направляемых на слоевое сжигание, не должна превышать 20-37%, на пылевидное сжигание - 45%.

  Для коксования используются малозольные (обогащенные) спекающиеся каменные угли, в которых лимитируется содержание серы и Для полукоксования, газификации, получения жидкого топлива, горного воска и др. направлений потребления нормируются спекаемость, сернистость, зольность, кусковатость, термическая стойкость, содержание смол, битумов и др. показатели качества.

  . Основные закономерности угленакопления

  Углеобразование - один из региональных геологических процессов, протекавший и возобновлявшийся при благоприятном сочетании тектонических, климатических, геоморфологических, фитоценологических и др. факторов. Крупные эпохи углеобразования приурочены к периодам медленных колебательных движений земной коры на фоне общего длительного погружения крупных областей и участков. Для углеобразования существенное значение имели возникновение в нижнем палеозое наземной растительности и ее эволюция в последующей истории Земли. Наличие в осадочных толщах гумусовых углей отмечается с силура, а угленакопление промышленного значения - с девона. Получившие в среднем палеозое развитие влаголюбивые папоротникообразные растения ограничивали размещение областей угленакопления приморскими (или постепенно терявшими связь с морем) равнинами - паралический тип углеобразования. С последующей эволюцией растительных форм и расселением их на суше связано перемещение областей углеобразования в глубь материков; преобладающее развитие получил лимнический тип углеобразования.

  В познание процессов углеобразования, закономерностей пространственного распределения запасов У и др. проблем геологии углей большой вклад внесен русскими и советскими геологами. Первыми специалистами по геологии бассейнов были Л. И. Лутугин и его ученики - В. И. Яворский, П. И. Степанов, А. А. Гапеев и др.; кроме того, большие работы были проведены М. А. Усовым, Ю. А. Жемчужниковым, И. И. Горским, Г. А. Ивановым, М. М. Пригоровским, А. К. Матвеевым, Г. Ф. Крашенинниковым и др. Развитие учения о геологии угля в зарубежных странах связано с именами немецких (Г. Потонье, К. Науман, М. и Р. Тейхмюллеры, Э. Штах и др.), английских (М. Стопе, К. Маршалл, У. Фрэнсис и др.), американских (Р. Тиссен, Д. Уайт и др.), голландских (Д. Кревелен), чешских (В. Гавлена) ученых и др.

  Анализ стратиграфического и палеогеографического распределения масс У на Земле лег в основу разработанной в 1937 П. И. Степановым теории поясов и узлов углеобразования. Им установлена определенная закономерность в размещении одновозрастных районов и бассейнов в виде поясов широтного или субмеридионального направления, которые были приурочены к зонам земной поверхности с палеоклиматическими и геотектоническими условиями, благоприятными для накопления массы. На основании стратиграфического распределения учтенных запасов У П. И. Степанов выделил два максимума углеобразования - в верхнем карбоне - перми и в палеогене - неогене, а также высказал предположение о наличии третьего - в юрско-нижнемеловое время. Последующие исследования подтвердили эти закономерности. Стратиграфическое распределение учтенных мировых геологических запасов углей по состоянию на 1970 (14 триллионов т) приведено на (рис. 2). В СССР основные запасы У сосредоточены в бассейнах пермского (48,5%) и юрско-мелового (39%) возрастов.

  Углеобразование является одним из региональных геологических процессов, проявившихся на территории всех континентов (рис. 3). Площади непрерывного распространения угленосных формаций (см. Формация геологическая) колеблются от нескольких до сотен тыс. км; мощности - от десятков м до 20 км, число заключенных в них пластов угля - от единиц до нескольких сотен. Согласно современным представлениям, все основные черты угленосных формаций - их мощность, пространственная изменчивость состава и строения, взаимоотношение с вмещающими породами, количественная и качественная характеристика угленосности, метаморфизм углей, тектоника и др.- определяются характером и интенсивностью колебательных движений земной коры, в тесной взаимосвязи с историей структурного развития и палеогеографией. Так, для угленосных формаций, приуроченных к краевым прогибам, унаследованным и наложенным крупным впадинам на складчатом основании (см. Тектонические прогибы), характерны большая мощность формаций; зональность их тектонического строения (от сильно дислоцированных структур по границе с орогенными областями к спокойным в центральной и приплатформенной частях бассейна), многопластовость, горизонтальная и вертикальная зональность в проявлении регионального метаморфизма углей, широкий диапазон их марочного состава (от бурых до антрацитов). В СССР с этими формациями связаны бассейны, обеспечивающие сырьем коксохимическую промышленность: Донецкий, Кузнецкий, Карагандинский и Печорский.

  Крупные по масштабам процессы углеобразования приурочены к платформенным областям. В угленосных формациях, связанных с посторогенными (Челябинский и Тургайский бассейны), унаследованными и наложенными впадинами (Канско-Ачинский, Майкюбенский и Южно-Уральский бассейны) часто накапливались мощные пласты. К платформенным синеклизам приурочены маломощные угленосные формации с невысокой угленосностью (Подмосковный и Иркутский бассейны). Степень углефикации углей платформенных формаций невысокая, преобладают угли бурые и каменные марок Д и Г. В орогенных областях углеобразование проявилось слабо, на локальных площадях, где создались благоприятные для континентального осадконакопления условия. Из-за сложной тектоники такие месторождения имеют очень ограниченное промышленное значение

  . Морфология пластов и условия их залегания

  Подавляющему большинству угленосных формаций свойствен пластовый характер залегания У между почти параллельными напластованиями вмещающих пород на обширных площадях, при небольшой по сравнению с площадью распространения мощности. В прибрежно-морских и прибрежно-бассейновых (лагунной, дельтовой) обстановках осадконакопления, характерных для угленосных формаций, приуроченных к переходным (от орогенных к платформенным) областям, пласты формировались на огромных площадях, измеряемых сотнями км2. Мощность отдельных пластов - от см до нескольких м, при относительно высокой выдержанности морфологических черт. Свойственная платформенным областям внутриконтинентальная (озерная, озерно-болотная, речная) обстановка осадконакопления обусловила более ограниченное по площади распространение пластов, во многих случаях их линзовидную форму. Мощность многих залежей достигает здесь на значительных площадях десятков, в единичных случаях - сотен м. В практике промышленной оценки принято разделять пласты: по мощности - на весьма тонкие (до 0,5 м), тонкие (0,5-1,3 м), средней мощности (1,3-3,5 м), мощные (3,5-15 м) и весьма мощные (более 15 м); по выдержанности морфологии и качества угля - на выдержанные, относительно выдержанные и невыдержанные. На выдержанности морфологии пластов, оцениваемой обычно на площадях в несколько км2, отражается прежде всего региональное и локальное расщепление - результат прерывистых дифференцированных погружений дна бассейна, неравномерного сноса песчано-глинистого материала, колебаний уровня вод и др. Изменение мощностей пластов обусловливается также неровностями ложа торфяника и размывами как в процессе накопления, так и после захоронения торфяников и углей овражно-речной сетью или морской трансгрессией. Сохранность пластов нарушается в ряде случаев процессами карстообразования в подстилающих угленосную толщу отложениях, выгоранием пластов, возникшим в результате окисления угля атмосферным воздухом, воздействием тектонических подвижек, приводящим к пережимам и раздувам, а также ассимиляцией угля изверженными породами, внедрившимися в угленосную толщу. Залегание пластов также характеризуется большим разнообразием. Лишь в некоторых бассейнах и месторождениях платформенной группы пласты характеризуются слабоволнистым, почти горизонтальным ненарушенным залеганием. В большей же части угленосные образования подверглись складкообразованию, сопровождавшемуся разрывными нарушениями (рис. 4). В практике разведки и эксплуатации условия залегания пластов оцениваются для локальных участков крупных бассейнов и месторождений с запасами угля, обеспечивающими работу шахты (углеразреза). В масштабе шахтных (карьерных) полей ведущими структурными формами являются: моноклинали - крылья пологих синеклиз и антеклиз платформ, а также крылья и замковые части крупных синклиналей и антиклиналей; ограниченные по размерам брахискладки и участки с сопряжением различных складчатых форм более мелких порядков. Сопровождающие складчатость и наложенные разрывные нарушения создают блоковый характер залегания пластов с размерами обособленных блоков от несколько км2 до мелкоблочных и чешуйчатых форм. Применительно к действующим принципам геологопромышленной оценки месторождения и угленосные площади по степени сложности геологического строения подразделяются с учетом выдержанности морфологии пластов и качества угля, а также характера проявления тектоники на три группы. К первой группе относятся месторождения (участки) простого строения с выдержанными мощностями основных рабочих пластов и качеством углей, ненарушенным или слабонарушенным залеганием; ко второй - месторождения (участки) сложного строения с изменчивой мощностью и строением большей части пластов либо с невыдержанным качеством углей, а также угленосные площади, на которых при выдержанной морфологии основных пластов залегание последних - сложно складчатое или интенсивно нарушено разрывами; третью группу составляют месторождения (участки) очень сложного строения, интенсивно нарушенные складчатостью и разрывами, мелкоблочным залеганием или сложной изменчивой морфологией пластов. Приведенная группировка используется при проектировании геологоразведочных работ, подсчете запасов углей и планировании строительства угледобывающих предприятий. См. также Угольная промышленность, Подземная разработка полезных ископаемых.

 

  Лит.: Потонье Г., Происхождение каменного угля и других каустобиолитов, Л. - М. - Грозный - Новосибирск, 1934; Жемчужников Ю. А., Общая геология ископаемых углей, 2 изд., М., 1948; Крашенинников Г. Ф., Условия накопления угленосных формаций СССР, М., 1957; Матвеев А. К., Геология бассейнов и месторождений СССР, М., 1960; Иванов Г. А., Угленосные формации, Л., 1967; Миронов К. В., Геологические основы разведки месторождений, М., 1973; Метаморфизм углей и эпигенез вмещающих пород, М., 1975; Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР, т. 1-11, М., 1962-73; Haviena ., Geologic uhelnуch ložisek, sv. 1-3, Praha, 1963-65: Francis ., Coal: its formation and composition, 2 ed., L.. 1961; Krevelen D. . van, Coal, Arnst., 1961.

  К. В. Миронов.



Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 28.03.2024 20:56:15